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原位改性流体化采矿科学、技术与工程 被引量：33
1
作者 赵阳升 梁卫国 +2 位作者 冯子军 冯增朝 杨栋 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期25-35,共11页
为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与... 为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。其突出内涵是在原位,采用物理与化学方法改造矿体与矿物,改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性,实现矿物流体化开采。根据矿体性态变化特征,原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。科学理论主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程的发展现状及其展望,这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。 展开更多
关键词 采矿工程 流体化开采 原位改性 非常规地质资源能源 矿体
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注能(以CO_2为例)改性驱替开采CH_4理论与实验研究 被引量：22
2
作者 梁卫国 张倍宁 +1 位作者 黎力 贺伟 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第10期2839-2847,共9页
在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应... 在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO_2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO_2在煤体表面的吸附势大于CH_4,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH_4,注能(CO_2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO_2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO_2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO_2/CH_4置换率;提高注入CO_2温度,有助于部分吸附CH_4解吸,但同时煤体对CO_2吸附能力也减弱,导致CO_2/CH_4置换率有所降低。 展开更多
关键词 煤层气开采 注能改性 CO2驱替 渗透率 置换率
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三轴应力下CO_(2)置换开采天然气水合物实验研究 被引量：5
3
作者 王婷婷 赵建忠 +1 位作者 高强 张驰 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期584-591,共8页
为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO_(2)置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明:在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠... 为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO_(2)置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明:在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠体系对CH4置换效率影响较小,但对CO_(2)水合物合成表现出抑制作用;储层初始饱和度与CH4置换效率之间是负相关关系且高的储层含水率更有利于CO_(2)封存;CH4置换效率随着置换压应力的增长有一定幅度的提高,置换压应力的增大为CO_(2)水合物合成提供了高的驱动力,进而提高了CO_(2)封存效率。 展开更多
关键词 天然气水合物 二氧化碳 甲烷 氯化钠 置换 三轴应力 储层初始饱和度
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煤矸石井下原位智能分选充填技术研究进展 被引量：7
4
作者 梁卫国 郭凤岐 +2 位作者 于永军 张泽寒 闫俊才 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期12-27,共16页
传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源... 传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离。为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环。为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述。所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路。 展开更多
关键词 低碳开采 智能化 煤矸识别 原位分选充填 采选充一体化
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电极材料对电化学改性无烟煤前后甲烷吸附解吸特性影响的实验研究 被引量：1
5
作者 张晓雨 康天合 +5 位作者 侯鸣晓 康健婷 郭俊庆 李立功 张润旭 胡耀青 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期2466-2477,共12页
针对电化学作用能够显著增强煤中甲烷解吸渗流特性,但对其电极材料的选择缺乏依据的问题,采用实验的方法研究了铝、铁、铜和石墨四种电极材料对电化学改性无烟煤甲烷吸附解吸特性的影响.结果表明:(1)未改性自然煤样的甲烷饱和吸附量a为3... 针对电化学作用能够显著增强煤中甲烷解吸渗流特性,但对其电极材料的选择缺乏依据的问题,采用实验的方法研究了铝、铁、铜和石墨四种电极材料对电化学改性无烟煤甲烷吸附解吸特性的影响.结果表明:(1)未改性自然煤样的甲烷饱和吸附量a为39.92mL·g^-1,由铝、铁、铜和石墨四种电极材料进行电化学改性后阳极区域煤样的甲烷饱和吸附量a分别降低了5.22%、8.48%、9.24%和11.33%,阴极区域煤样的甲烷饱和吸附量a分别降低了9.53%、4.97%、6.25%和4.97%;(2)未改性自然煤样在300min的甲烷解吸率为83.17%,经铝、铁、铜和石墨四种电极材料改性后阳极区域煤样的甲烷解吸率分别提高了9.50%、7.10%、8.36%和15.75%,阴极区域煤样的甲烷解吸率分别提高了1.76%、1.12%、6.10%和16.23%;(3)采用石墨作为电极的电化学对无烟煤甲烷解吸的影响效果最为明显,原因在于石墨阳极处电解反应生成较多的H^+离子,一方面对煤表面进行酸化,抑制了煤甲烷的吸附,另一方面更多地溶蚀煤中的碳酸盐和硫酸盐矿物,增加了煤中的孔隙,使得甲烷最终解吸率有所升高.本文的研究结果可为电化学强化煤甲烷解吸电极材料的优选提供基础依据. 展开更多
关键词 无烟煤 电化学 电极材料 甲烷 吸附解吸
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不同压力下冻土区水合物法封存CO_(2)的实验研究 被引量：4
6
作者 高强 赵建忠 +1 位作者 侯斌 张驰 《石油与天然气化工》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期49-55,63,共8页
目的水合物法封存CO_(2)稳定性良好、储气密度高,是一种极具潜力的碳封存方式,利用冻土区的地层条件更具独特优势,将CO_(2)气体注入冻土区地层中,在一定的温度和压力条件下,形成固态CO_(2)水合物实现封存。方法依据国内冻土地区地层深... 目的水合物法封存CO_(2)稳定性良好、储气密度高,是一种极具潜力的碳封存方式,利用冻土区的地层条件更具独特优势,将CO_(2)气体注入冻土区地层中,在一定的温度和压力条件下,形成固态CO_(2)水合物实现封存。方法依据国内冻土地区地层深度对应的温度和压力条件,选取不同地层深度(150 m和200 m)对应温度(1.27℃和2.72℃)和有效孔隙含水率(40%),研究不同注气压力(3.5 MPa、4.5 MPa和5.5 MPa)下的封存特征。分析封存过程的温度和压力变化、封存速率、最终水转化率和最终封存率等动力学规律。结果封存压力越高,水合物法封存所需的诱导时间越短,压力降幅越大。较高的封存压力导致初期封存速率较慢,缓慢封存期的持续时间减少,且封存压力越高,封存率、最终水转化率和水合物相饱和度越高。封存温度越高,压力对封存率的影响效果越明显。结论在地层深度150 m(对应地层平均温度1.27℃)、5.5 MPa及有效孔隙含水率(40%)的条件下,CO_(2)封存效果最佳。 展开更多
关键词 冻土区 水合物 CO_(2) 封存 注气压力
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注液态CO_(2)开采天然气水合物实验研究 被引量：2
7
作者 靳鸿铨 赵建忠 +2 位作者 牛晓明 张驰 高强 《低碳化学与化工》 CAS 北大核心 2024年第12期134-140,共7页
注液态CO_(2)开采天然气水合物既能安全采出CH_(4)又能原位固碳。为揭示开采过程中CO_(2)相态对水合物储层的影响规律,采用水合物三轴渗透实验装置,在NaCl体系中,以石英砂为多孔介质,注入CH_(4)气体生成甲烷水合物,以此模拟天然气水合... 注液态CO_(2)开采天然气水合物既能安全采出CH_(4)又能原位固碳。为揭示开采过程中CO_(2)相态对水合物储层的影响规律,采用水合物三轴渗透实验装置,在NaCl体系中,以石英砂为多孔介质,注入CH_(4)气体生成甲烷水合物,以此模拟天然气水合物储层。在4.5 MPa的孔隙压应力下,分别研究了注液态CO_(2)开采对甲烷水合物分解行为的影响,反应温度对注液态CO_(2)开采甲烷水合物的影响,以及反应温度对注液态CO_(2)开采甲烷水合物后储层水合物饱和度的影响。结果表明,注液态CO_(2)开采对甲烷水合物的分解有促进作用,反应温度为8.0℃、反应压力为4.5 MPa时,相较于降压法开采,注液态CO_(2)开采CH_(4)采出量提高了22.81%,CH_(4)采出率提高了13.66%。在液态CO_(2)环境中,高的反应温度有利于甲烷水合物分解,相较于6.0℃,反应温度为10.0℃时CH_(4)采出量提高了40.41%。与CO_(2)水合物生成时释放的热量相比,高的反应温度在促进水合物分解中占主导作用。随反应温度升高,CO_(2)封存量、转化率和开采后储层水合物饱和度均降低。反应温度为6.0℃和10.0℃时,CO_(2)封存量分别为0.1962 mol和0.1034 mol,CO_(2)转化率分别为22.08%和11.86%,开采后储层水合物饱和度分别为57.91%和34.21%,较平均初始饱和度(41.72%)分别提高了38.81%和降低了18.01%。注液态CO_(2)开采天然气水合物对提高CH_(4)采出量和采出率,以及促进CO_(2)封存具有积极作用。 展开更多
关键词 液态CO_(2) 水合物开采 天然气水合物 CO_(2)封存
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油页岩传热各向异性与原位传导热采模拟分析 被引量：1
8
作者 张轩豪 俞凌杰 +2 位作者 马中良 李艺龙 姜星 《太原理工大学学报》 CAS 北大核心 2024年第2期260-266,共7页
【目的】油页岩原位开采过程中传热效率差,各向异性差异显著,油页岩原位开采中存在各向异性传热差异问题。【方法】以新疆巴里坤油页岩制标准样本试件,采取多种室内试验手段对不同温度下块状油页岩水平、垂直层理传热差异进行探究,并进... 【目的】油页岩原位开采过程中传热效率差,各向异性差异显著,油页岩原位开采中存在各向异性传热差异问题。【方法】以新疆巴里坤油页岩制标准样本试件,采取多种室内试验手段对不同温度下块状油页岩水平、垂直层理传热差异进行探究,并进行原位开采模拟。【结果】实验结果表明:1)随着温度升高,各层理方向热传导系数均呈“降低”趋势,但油页岩平行层理方向的热传导系数均大于垂直层理方向;2)随温度升高,比热容先升高再降低,当温度为400℃时,油页岩比热容值最大;3)结合显微CT图,随着温度的升高,裂隙增多对垂直层理方向热量传导的影响大于平行层理方向。基于上述实验测试参数,同时利用COMSOL软件建立油页岩储层原位电加热的“热-固”耦合模型,模拟结果表明:随加热时间的增加,各向异性传热差异逐渐开始呈现;当加热时间为120 d时,加热井附近区域温度上升,并未表现出明显的各向异性;当加热到600 d时,平行层理方向的传热区域明显大于垂直层理方向,呈“椭圆”状;加热到1 440 d时,传热区域小幅度增加,加热井控制区域页岩基本热解完成。 展开更多
关键词 油页岩 各向异性 热传导系数 显微CT 数值模拟
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细粒砂矿物成分及粒径配比对CO_(2)水合物合成特性影响的实验研究
9
作者 马越 赵建忠 +1 位作者 高强 张驰 《低碳化学与化工》 CAS 北大核心 2024年第4期124-130,共7页
在冻土层中用水合物法封存CO_(2)是一种具有潜力和前景的CO_(2)封存技术。为探究地层性质对CO_(2)封存的影响,在初始压力5.5 MPa、温度1.27℃的条件下,在不同细粒砂矿物成分及粒径配比的影响下进行了CO_(2)水合物合成实验,对实验过程中C... 在冻土层中用水合物法封存CO_(2)是一种具有潜力和前景的CO_(2)封存技术。为探究地层性质对CO_(2)封存的影响,在初始压力5.5 MPa、温度1.27℃的条件下,在不同细粒砂矿物成分及粒径配比的影响下进行了CO_(2)水合物合成实验,对实验过程中CO_(2)水合物生成过程的压力-温度变化、CO_(2)水合物平均生成速率、CO_(2)耗气量和相饱和度等进行了分析。结果表明,细粒砂与粗粒砂粒径配比(各组分质量比,下同)为1.0:2.0时的CO_(2)水合物平均生成速率最小(12.60 mmol/min),随着粗粒砂比例的增大,比表面积减少,CO_(2)水合物平均生成速率变慢。蒙脱石黏土不利于CO_(2)水合物生成,粉砂组(含细粒砂与粗粒砂)CO_(2)水合物平均生成速率高于粉砂质黏土组(含细粒砂和蒙脱石黏土),且粉砂组实验更容易实现高的水合物饱和度和CO_(2)耗气量,因此在矿物成分含细粒砂与粗粒砂的区域更适合进行CO_(2)封存。细粒砂与粗粒砂或黏土矿物粒径配比为1.0:0.5时的CO_(2)耗气量分别为0.86 mol、0.77 mol,随着粗粒砂和黏土矿物比例的增大,水合物相饱和度和CO_(2)耗气量均逐渐减小,细粒砂与粗粒砂或黏土矿物粒径配比为1.0:0.5时是适合水合物法封存CO_(2)的比例。 展开更多
关键词 CO_(2) 水合物 碳封存 黏土 粒径配比
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水蒸汽与氧协同注入气化–热解无烟煤宏观渗流与细观结构演变
10
作者 王磊 王磊 +4 位作者 康志勤 孙丁伟 贾毅超 孟巧荣 杨栋 《煤炭学报》 北大核心 2025年第8期3760-3773,共14页
为了研究煤炭水氧气化-热解反应过程中井网之间不同区域内煤层破裂规律与渗流演变特征,进行了水蒸汽与氧气协同气化-热解无烟煤的长距离反应试验,对距注热端不同距离的气化-热解煤样进行了宏观渗透率测试,通过高分辨率显微CT技术对煤样... 为了研究煤炭水氧气化-热解反应过程中井网之间不同区域内煤层破裂规律与渗流演变特征,进行了水蒸汽与氧气协同气化-热解无烟煤的长距离反应试验,对距注热端不同距离的气化-热解煤样进行了宏观渗透率测试,通过高分辨率显微CT技术对煤样进行了细观物理结构表征,并借助专业图像处理软件对煤样的三维孔裂隙结构进行重构与统计,明确了无烟煤水氧气化-热解的物理改性特征。研究表明:注热端附近无烟煤失重率可达60%,渗透率高达3.42×10^(-15)m^(2),远高于初始渗透率(10^(-19)m^(2)量级),而距注热端较远处无烟煤失重率不到20%,渗透率为1.26×10^(-15)m^(2)。整体上,从注热端到产气端无烟煤渗透率逐步降低,呈显著的Logistic非线性变化趋势,但最低渗透率亦可达初始无烟煤渗透率的8×10^(3)倍,这就为后续的气化-热解反应提供了更好的反应界面,无烟煤的气化或者热解反应、煤体内部的热应力效应、矿物质变化以及分解产物的排采共同作用致使无烟煤内部大量孔渗通道发育。将煤体内部细观裂隙结构划分为大裂隙、中裂隙和小裂隙3种级别,大裂隙的数量要远少于中裂隙和小裂隙,但其体积却远高于其他2种裂隙,整体上,不同区域煤体内部大裂隙占比处于88%~97%间,占绝对主导作用。从注热端附近的高温区(715~820℃)到产气端附近的低温区(410~535℃),煤体孔隙度逐渐降低,其变化趋势与渗透率变化趋势趋于一致,高温裂隙系统的高度发育提升了煤体的孔隙度,进一步通过增强孔隙连通性提高了渗透率。本研究进行了从注热井到生产井热流体注入-煤氧化还原反应-煤热解反应-产物排采全流程的实验室模拟,对深部煤炭原位水氧气化产气过程的理解和技术优化具有现实意义。后续围绕提升气化温度、开展多次注氧循环、拓展煤种与粒径对比实验等方面,深化对煤体在高温水氧环境下物理改性与渗流演化机制的理解。 展开更多
关键词 高温蒸汽 氧化还原 气化-热解 渗流特性 细观结构
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电泳降低煤层气排采中煤粉沉降机理研究
11
作者 郭俊庆 刘鹏辉 +3 位作者 王昱清 袁一博 康天合 李伟 《煤炭学报》 北大核心 2025年第8期4022-4032,共11页
煤粉堵塞严重影响煤层气高效开发,现有的解堵方法存在效率低、成本高等问题,为此,结合煤在水溶液中的带电特性,提出通过外加电场产生电泳作用驱动煤粉运移解堵。采用自制的电泳改变煤粉沉降特性试验装置,开展电位梯度对不同煤阶煤粉沉... 煤粉堵塞严重影响煤层气高效开发,现有的解堵方法存在效率低、成本高等问题,为此,结合煤在水溶液中的带电特性,提出通过外加电场产生电泳作用驱动煤粉运移解堵。采用自制的电泳改变煤粉沉降特性试验装置,开展电位梯度对不同煤阶煤粉沉降特性影响的物理模拟试验,探究煤粉沉降规律,结合电动电位、接触角测量、红外光谱、粒子图像追踪PIV测试等表征手段,揭示电泳作用机理。结果表明:随着时间的增加,无烟煤、焦煤和长焰煤等3种煤阶煤粉的沉降质量均呈先快速升高、后基本稳定的变化规律;随着电位梯度的增大,3种煤阶煤粉的最终沉降质量均呈反比例函数的变化规律,即先快速降低后缓慢降低至稳定,其中焦煤的降幅最大;试验过程中观察到3种煤阶煤粉均出现聚团现象,且焦煤的聚团现象较明显,这是由于焦煤的羟基含量较高,导致其接触角小,亲水性好,从而使煤粉颗粒之间更易形成液桥;施加电场后,3种煤阶煤粉的运移轨迹类型由快速下降变为减速下降、先降后升的类抛物线或上升等3种,且焦煤的类抛物线和上升轨迹较多,并且加电后3种煤阶的平均运移速率均增大,其中焦煤增幅最大;电泳改变煤粉运移机理是外加电场和液桥2个因素改变煤粉所受合力,一方面外加电场提供电场力使得合力向上,另一方面液桥的存在增大了重力、浮力和电场力,其中浮力增幅比重力大,使得向上的合力增大,并且焦煤的液桥较多,向上合力最大。因此,外加电场可以有效地降低煤粉沉降质量,减少煤粉堵塞。 展开更多
关键词 煤粉堵塞 电泳 电场强度 液桥 沉降特性
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黏土矿物类型对煤力学非均质性影响的分子机制
12
作者 张彬 孙蓓蕾 +7 位作者 王德璋 康天合 冯智杰 李立功 李昊洋 梁晓敏 朱文庆 张俊爽 《煤炭学报》 北大核心 2025年第5期2567-2580,共14页
煤层气是我国重要的非常规天然气资源,但无机矿物影响下的煤储层具有强烈的力学非均质性,存在已成功使用的工程技术在其他煤层气井不适用的情况,深入研究煤中无机矿物与有机质的相互作用及其对煤力学非均质性的影响机制具有重要的意义... 煤层气是我国重要的非常规天然气资源,但无机矿物影响下的煤储层具有强烈的力学非均质性,存在已成功使用的工程技术在其他煤层气井不适用的情况,深入研究煤中无机矿物与有机质的相互作用及其对煤力学非均质性的影响机制具有重要的意义。利用分子模拟对比分析了高岭石、伊利石和蒙脱石3种典型黏土矿物与无烟煤有机质的相互作用范围、位置和强度及差异性,阐明了不同黏土矿物对煤孔隙率的影响规律,揭示了煤力学非均质对黏土矿物类型的响应特征。结果表明:高岭石或伊利石与煤有机质的径向分布函数呈双峰特性,同时存在氢键作用和范德华力,而蒙脱石的径向分布函数呈单峰分布,相互作用以范德华力为主,占总能量变化的89.36%,不存在氢键作用;矿物分子进入到煤有机质后会相互堆叠填充,形成具有一定的非均质性且形状不规则的纳米孔隙结构,相同矿物含量下,含不同矿物类型煤的孔隙率大小顺序为:蒙脱石>伊利石>高岭石;黏土矿物与煤有机质的相互作用强度主要取决于黏土矿物分子的尺寸,呈反比例关系;不同高岭石含量下,无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量非均质性可分为5个部分,存在变异性极高的区域,而含伊利石和含蒙脱石无烟煤除了剪切模量存在高变异区域,其他力学参数均处于低变异范围以下,高岭石对无烟煤力学非均质的影响程度要大于伊利石和蒙脱石的影响。研究成果将为预测煤储层力学性质的变化规律且根据煤中不同黏土矿物特征有针对性的制定储层改造措施和开发方案提供力学依据。 展开更多
关键词 无烟煤 黏土矿物类型 力学性质 非均质性 分子模拟
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电动力学可渗透反应屏障耦合修复Cd污染土壤的试验研究
13
作者 柴肇云 李健 +2 位作者 贺利霞 闫珂 李亚男 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第2期338-350,共13页
电动力学可渗透反应屏障耦合修复技术能有效去除煤矿区污染土壤中的重金属离子。以Cd污染土壤为研究对象,开展EK-PRB耦合修复的物理模拟试验,系统研究电解液和土壤pH值、Cd^(2+)去除率、电流以及总电能消耗等的演化规律。结果表明:修复... 电动力学可渗透反应屏障耦合修复技术能有效去除煤矿区污染土壤中的重金属离子。以Cd污染土壤为研究对象,开展EK-PRB耦合修复的物理模拟试验,系统研究电解液和土壤pH值、Cd^(2+)去除率、电流以及总电能消耗等的演化规律。结果表明:修复过程中电解液pH值和电流呈周期性变化,周期内阳极pH值降低,阴极pH升高,电流先增后降;修复后污染土壤pH值和Cd^(2+)富集指数从阳极至阴极依次升高;柠檬酸+NaCl混合液作电解液时,电流和Cd^(2+)去除率显著提高,修复效率最佳;蒙脱石作PRB活性填充材料可有效降低阴极电解产生的OH^(-)浓度和迁移速率,Cd^(2+)去除率更高,电能消耗更低,修复效率最佳;电压梯度与Cd^(2+)去除率和电能消耗正相关。综合考虑Cd^(2+)去除率、电能消耗以及修复成本等因素,电压梯度为2.5 V/cm时修复效率最佳。 展开更多
关键词 电动力学 可渗透反应屏障 重金属 修复效果 吸附机制
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电位梯度对细尾砂脱水固结特性的影响规律及其机理研究
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作者 郭俊庆 龙腾 +4 位作者 柴肇云 吴志军 王昱清 邬杨亿 向德成 《煤炭学报》 北大核心 2025年第S1期286-296,共11页
尾矿库堆积坝砂粒因水力传导率低、透水性差等特点,导致其存在排水能力差、固结时间长和力学强度低等问题,容易发生堆积坝失稳等地质灾害。结合细尾砂比表面积大以及强带电特性和电渗原理,提出通过外加电场促进其脱水固结的探索性思路,... 尾矿库堆积坝砂粒因水力传导率低、透水性差等特点,导致其存在排水能力差、固结时间长和力学强度低等问题,容易发生堆积坝失稳等地质灾害。结合细尾砂比表面积大以及强带电特性和电渗原理,提出通过外加电场促进其脱水固结的探索性思路,以铁细尾砂为研究对象,遵循与湿排尾矿堆积坝砂样状态相似原理,采用自主研发的一维水平电渗试验装置进行物理模拟试验,研究电位梯度对细尾砂排水量、蒸发量、排水速率的变化规律,结合作用前后的细尾砂试样直剪强度、X射线衍射和扫描电镜(SEM)等表征测试,分析电场对细尾砂脱水固结的效果及其作用机制。结果表明:①施加电场对细尾砂脱水固结有促进作用,并且随着电位梯度的增大总脱水量呈先升高后基本稳定的规律,在电位梯度1和6 V/cm作用下的总脱水效果最佳,总脱水量增加1.61倍。需要说明的是,在0~1 V/cm脱水以电渗作用为主,在1~6 V/cm脱水以电蒸发作用为主;②施加电场后细尾砂剪应力曲线由平缓型变为波峰型,说明具内聚力增强,抗剪强度提高了12.4%~21.7%,同一电位梯度下阳极较阴极增幅明显;③施加电场作用后的阳极区域新生成褐铁矿、石膏和铁氧化物等矿物,阴极区域未有新矿物生成;④电场促进细尾砂脱水固结的作用机理主要有4方面:电渗排水作用、电泳迁移小颗粒运移聚集作用、电化学反应在阳极附近产生的胶结物质作用和电蒸发效应等。研究结果为外加电场促进细尾砂脱水固结提供了一定的理论与应用价值。 展开更多
关键词 细尾砂 脱水固结 电渗 电蒸发 电位梯度 抗剪强度
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EK-PRB耦合修复Cd污染土壤的修复机理
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作者 柴肇云 闫珂 +3 位作者 贺利霞 李天宇 辛子朋 肖畅 《煤炭学报》 北大核心 2025年第S1期503-514,共12页
电动力学可渗透反应屏障(EK-PRB)耦合修复技术结合了电动修复和可渗透反应屏障两者的优点,可有效去除煤矿区污染土壤中的重金属离子。以分布广、危害大的Cd污染土壤为对象,借助分子动力学模拟方法,厘清了醋酸、乳酸和柠檬酸与Cd^(2+)络... 电动力学可渗透反应屏障(EK-PRB)耦合修复技术结合了电动修复和可渗透反应屏障两者的优点,可有效去除煤矿区污染土壤中的重金属离子。以分布广、危害大的Cd污染土壤为对象,借助分子动力学模拟方法,厘清了醋酸、乳酸和柠檬酸与Cd^(2+)络合反应后的存在形式及其演化规律,阐明了伊利石、蒙脱石和高岭石3种黏土矿物对Cd^(2+)的吸附行为差异及电位梯度对其吸附特征的影响,揭示了EK-PRB耦合修复重金属污染的修复机理。结果表明:醋酸、乳酸和柠檬酸与Cd^(2+)络合反应后均可生成不同形式的络合物,但柠檬酸反应后络合物的存在形式及其占比变化更丰富多样,更适合作EK-PRB耦合修复电解液。伊利石和蒙脱石通过形成外层络合物和内层络合物2种机制吸附Cd^(2+),而高岭石吸附Cd^(2+)主要是通过内层络合物吸附,Cd^(2+)更倾向于吸附在Si—O四面体层。Cd^(2+)在伊利石、蒙脱石和高岭石3种黏土矿物表面的均方位移曲线和扩散系数均表现为各向异性。电场作用后,Cd^(2+)在黏土矿物表面的吸附点位发生改变,但吸附容量不变;Cd^(2+)向靠近黏土矿物(001)晶面方向迁移集聚,且随电位梯度增加,相对浓度峰值增大,Cd^(2+)在3种黏土矿物表面的质量密度大小顺序为蒙脱石>伊利石>高岭石;黏土矿物表面Cd^(2+)水化壳的配位数减少,Cd^(2+)总扩散系数显著增大,迁移速率明显提升,而水化能力降低。相较于伊利石和高岭石,蒙脱石更适合作EK-PRB耦合修复活性填充材料。 展开更多
关键词 EK-PRB耦合修复 重金属 修复机理 吸附行为差异 分子动力学
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碱与硫酸盐环境下赤泥基充填材料的强度演化及硅铝活化机制
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作者 朱德福 刘济广 +1 位作者 闫川 韩忠 《煤炭学报》 北大核心 2025年第8期3868-3883,共16页
赤泥是有色金属工业中排放量最大的固废,其碱性强、粒度细、组成复杂且综合利用程度低,制备赤泥基采空区充填材料是实现其资源化低碳利用与绿色处置的一种高效技术路径。以拜耳法赤泥、粉煤灰与脱硫石膏为原料制备赤泥基复合胶凝充填材... 赤泥是有色金属工业中排放量最大的固废,其碱性强、粒度细、组成复杂且综合利用程度低,制备赤泥基采空区充填材料是实现其资源化低碳利用与绿色处置的一种高效技术路径。以拜耳法赤泥、粉煤灰与脱硫石膏为原料制备赤泥基复合胶凝充填材料,对不同配合比的充填体进行力学性能测试,并采用X射线衍射仪(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)微观测试技术,分析材料之间的复合协同效应,揭示充填体的水化产物与微结构演变机制。粉煤灰中活性硅铝组分的溶出动力学行为是决定赤泥基充填材料力学性能的关键因素,通过溶出试验,利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)与SEM测试技术,探究粉煤灰中活性SiO_(2)与Al_(2)O_(3)组分在NaOH溶液及NaOH与Na_(2)SO_(4)复合溶液体系的溶出动力学行为,引入经典溶出速率模型,探究活性硅铝组分的溶出动力学行为。结果表明:随着脱硫石膏掺量的增加,充填体强度呈先增加后降低的趋势,m(赤泥)∶m(粉煤灰)∶m(脱硫石膏)为4∶6∶0.9时的抗压强度最佳,3、7、28 d时,抗压强度分别为0.53、1.29、1.91 MPa,在碱与硫酸盐的协同活化作用下,形成了方沸石、斜钙沸石、钙矾石与硅铝酸盐凝胶等主要水化产物,密实了材料间的孔隙结构;粉煤灰中活性SiO_(2)、Al_(2)O_(3)组分在碱溶液体系中溶出特性呈阶段性差异,早期以Si为主,后期以Al为主,硫酸盐通过调控离子平衡和反应路径,强化了溶出差异效应;在NaOH与Na_(2)SO_(4)复合溶液中,1D-diffusion模型适用于活性SiO_(2)的溶解反应,Jander和1D-diffusion模型更适用于活性Al_(2)O_(3)的溶解反应,并阐明了粉煤灰中活性硅铝在碱与硫酸盐协同活化作用下的溶出机理。研究成果为铝土矿绿色开采提供了一种新型充填材料的制备路径。 展开更多
关键词 赤泥 固废 充填材料 协同活化效应 溶出机理
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煤层吸附气密度模型及气体吸附行为再认识 被引量：1
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作者 武守亚 梁卫国 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1115-1126,共12页
明确煤层吸附气密度是研究煤层气吸附特征及煤层气真实含气量的基础,而现有吸附气密度计算方法未体现温度、压力的影响。鉴于此,采用气体分子间、气固分子间相互作用势能理论,构建了近壁面处气体密度非均匀分布模型,进而获得了吸附厚度... 明确煤层吸附气密度是研究煤层气吸附特征及煤层气真实含气量的基础,而现有吸附气密度计算方法未体现温度、压力的影响。鉴于此,采用气体分子间、气固分子间相互作用势能理论,构建了近壁面处气体密度非均匀分布模型,进而获得了吸附厚度与吸附层数计算方程,推导了吸附气密度计算模型,从而建立了吸附量计算模型。所建模型的可靠性通过了分子动力学模拟结果以及吸附物理实验结果的验证。通过模型分析可知,吸附气密度受气固相互作用强度、温度、压力的影响:煤体对气体吸附能力越强,气固相互作用强度越大,近壁面处气体密度越大,吸附气密度越大,吸附层数越大;距壁面1个分子层区域内为强吸附区域,强吸附区域内吸附行为主控因素是气固相互作用;距离孔隙壁面大于1个分子层吸附区域为弱吸附区域,强吸附区域内吸附行为主控因素是外压作用。随着压力升高,近壁面处气体密度增加,且气体吸附过程为优先填充强吸附区域,后填充弱吸附区域。吸附气密度与游离气密度均随压力升高而增大,但吸附层数减小。过剩吸附量在吸附气密度与吸附层厚度的综合作用下随压力升高呈现下降或稳定趋势。吸附气密度与游离气密度、吸附层数、吸附量均随温度升高而呈现降低趋势。降压和增温能够有效解吸距壁面大于0.2 nm范围内的吸附气,然而距壁面小于0.2 nm范围内气体吸附行为唯一控制因素是气固相互作用,通过减弱气固相互作用强度能够进一步增加气体解吸量。此外,温度升高和压力增大引起气体吸附层数下降是深部煤层吸附气占比下降的原因。 展开更多
关键词 煤层气 吸附气密度 吸附模型 气固相互作用 吸附特征
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裂隙-孔隙双重介质模型下的复杂裂隙岩体示踪传质特性 被引量：1
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作者 宁佳祺 冯子军 高祺 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第7期2904-2913,共10页
为了深入研究地热储层中采灌井间的连通性及水力联系,使用COMSOL Multiphysic构造裂隙-孔隙双重介质数值模型,对深部裂隙岩体渗流及示踪运移进行模拟。分析了裂隙岩体中与主流线方向呈不同倾角的裂隙组的开度、岩体基质的扩散系数和渗... 为了深入研究地热储层中采灌井间的连通性及水力联系,使用COMSOL Multiphysic构造裂隙-孔隙双重介质数值模型,对深部裂隙岩体渗流及示踪运移进行模拟。分析了裂隙岩体中与主流线方向呈不同倾角的裂隙组的开度、岩体基质的扩散系数和渗透率对示踪剂突破曲线(breakthrough curve, BTC)的影响。结果表明:裂隙内水的对流是影响浓度运移的主要因素;随着裂隙开度增大,示踪剂运移的速率和峰值浓度增大,且示踪剂运移受裂隙开度的影响程度随裂隙组倾角增大而呈减小趋势;岩体基质扩散系数和渗透率对示踪剂的浓度时空分布影响显著;随着基质扩散系数增大,示踪剂迁移的延迟效应提高;随着基质渗透率增大,储层的压力和浓度分布各向异性降低,出口边界处的浓度分布更加均匀。 展开更多
关键词 裂隙-孔隙双重介质模型 示踪运移 对流扩散 突破曲线
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基于交叉耦合同步控制策略的单轨吊液压系统自抗扰控制器 被引量：1
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作者 叶向阳 孟巧荣 寇子明 《机电工程》 北大核心 2025年第6期1126-1134,共9页
煤矿井下单轨吊起吊液压支架等设备时存在偏载起吊等不利工况,导致起吊马达转速不同步,易发生安全事故。为实现双液压起吊马达系统的转速同步性和精准性,提出了一种基于交叉耦合同步控制策略的单轨吊液压系统自抗扰控制器(ADRC)。首先,... 煤矿井下单轨吊起吊液压支架等设备时存在偏载起吊等不利工况,导致起吊马达转速不同步,易发生安全事故。为实现双液压起吊马达系统的转速同步性和精准性,提出了一种基于交叉耦合同步控制策略的单轨吊液压系统自抗扰控制器(ADRC)。首先,对单轨吊起吊液压系统原理进行了分析,建立了起吊液压系统模型;然后,为提高起吊马达转速跟踪精度,以起吊马达为被控对象,马达转速为控制变量,设计了交叉耦合控制策略及二阶自抗扰转速控制器;最后,对在AMESim中搭建的起吊系统液压模型与Simulink中搭建的控制模型进行了联合仿真。研究结果表明:交叉耦合同步控制相较于主从控制最大同步误差降低了81.25%,达到同步的时间降低了16.0%;ADRC控制相较于PID控制,单个起吊马达超调量减少了21.2%,调节时间减小了61.9%,最大同步误差减小了68%;系统受负载扰动时,最大同步误差减小了42.9%,达到同步的时间减小了55.7%。这说明基于交叉耦合同步控制策略的单轨吊液压系统自抗扰控制器能够有效减小系统同步误差,提高系统的运动轨迹跟踪能力和抗干扰能力,具有很强的自适应性。 展开更多
关键词 液压系统 自抗扰控制器 起吊马达 交叉耦合同步控制策略 非线性状态误差反馈控制 负载扰动
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基于数值模拟−机器学习的缓倾斜铝土矿矿柱承载力预测方法 被引量：1
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作者 王德玉 朱德福 +1 位作者 于彪彪 王沉 《煤炭学报》 北大核心 2025年第3期1511-1526,共16页
矿柱强度具有显著的倾角效应,准确预测倾斜矿柱的强度是保障倾斜矿体地下采场安全的关键。为准确预测缓倾斜矿柱强度,融合运用参数化建模的灵活交互性、数值模拟的样本数据强扩展性与机器学习方法的数据驱动优势,建立缓倾斜矿柱强度预... 矿柱强度具有显著的倾角效应,准确预测倾斜矿柱的强度是保障倾斜矿体地下采场安全的关键。为准确预测缓倾斜矿柱强度,融合运用参数化建模的灵活交互性、数值模拟的样本数据强扩展性与机器学习方法的数据驱动优势,建立缓倾斜矿柱强度预测模型。基于Rhino中Grasshop-per平台编制缓倾斜矿柱参数化建模程序,结合某铝土矿裂隙产状参数构建了200组黏合块体-离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱数值模型。采用FLAC^(3D)-3DEC耦合模拟方法,依据试错法标定后的岩块与节理参数,开展了缓倾斜矿柱承载特性试验,监测并建立了机器学习缓倾斜矿柱强度数据集,且验证了此数据集的可靠性。分别以支持向量机(SVM)、极限学习机(ELM)、轻量梯度提升机(LightGBM)构建了缓倾斜矿柱强度预测模型,利用遗传编程(GP)和改进的量子粒子群算法(IQPSO)2种优化算法进一步提高模型性能,建立了缓倾斜矿柱强度与其影响因子之间的非线性映射关系。结果表明:矿体倾角对矿柱强度影响显著,同一尺寸矿柱随倾角的增加其强度显著下降,而不同宽高比矿柱的影响规律存在差异;当宽高比小于1时,矿柱影响因子敏感性主次顺序为:倾角>高度>宽度;当宽高比大于1时,其影响因子敏感性主次顺序为:宽度>倾角>高度;交叉验证了SVM模型是缓倾斜矿柱强度预测的最佳模型(R^(2)=0.921;R_(EVS)=0.926;R_(MAE)=1.225;R_(MSE)=2.367),结合GP与IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R^(2)=0.976;R_(EVS)=0.977;R_(MAE)=0.465;R_(MSE)=0.862)。采用GP的符号回归方法得到了缓倾斜铝土矿柱强度表达式,对比经典矿柱强度理论验证了模型的准确性,拓新了倾斜矿柱强度的预测思路。 展开更多
关键词 参数化建模 数值模拟 机器学习 缓倾斜矿柱 强度预测模型
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